Saturn: lord of the rings

The remarkable rings of Saturn

Billions of whirling particles of water ice

The austerely beautiful rings of Saturn are so large and bright that we can see them with a small telescope. A ponieważ błyszczące pierścienie są nachylone w stosunku do ekliptyki, płaszczyzny orbity Ziemi wokół Słońca, zmieniają swój kształt, gdy patrzymy na nie z Ziemi. Pierścienie są kolejno widziane od strony krawędzi, gdy mogą na krótko zniknąć z pola widzenia w małym teleskopie, od dołu, gdy są szeroko otwarte, od strony krawędzi, a następnie od góry. Pełny cykl wymaga 29,458 lat ziemskich, czyli okresu orbitalnego Saturna, więc pierścienie niemal znikają z pola widzenia co około 15 lat. Ostatnie zniknięcie miało miejsce w 1995 roku.

Trzy główne pierścienie Saturna były obserwowane przez stulecia. Istnieją zewnętrzny pierścień A i centralny pierścień B, oddzielone ciemnym Działem Cassiniego, oraz wewnętrzny pierścień C, lub krepa, który jest bardziej przezroczysty niż dwa pozostałe. Pozostają one zawieszone w przestrzeni, niezłączone z Saturnem, ponieważ poruszają się wokół planety z prędkością zależną od odległości, przeciwstawiając się sile grawitacji.

Wewnętrzne części pierścieni poruszają się wokół Saturna szybciej niż części zewnętrzne, wszystko zgodnie z trzecim prawem Keplera dla małych obiektów krążących wokół masywnego, większego. Krążą one wokół planety z okresami od 5,8 godziny dla wewnętrznej krawędzi pierścienia C, do 14,3 godziny dla zewnętrznej krawędzi bardziej odległego pierścienia A. Ponieważ Saturn obraca się wokół własnej osi z okresem 10,6562 godziny, wewnętrzne części głównych pierścieni krążą z szybszą prędkością niż obraca się planeta, a zewnętrzne z wolniejszą.

Różnica w ruchu orbitalnym pomiędzy wewnętrznymi i zewnętrznymi częściami pierścieni oznacza, że nie są one litym arkuszem materii, gdyż zostałyby rozerwane przez ruch różnicowy. Zamiast tego pierścienie składają się z ogromnej liczby cząstek, z których każda krąży po własnej orbicie wokół Saturna, niczym maleńki księżyc. Miliardy cząsteczek pierścieni krążą wokół planety. Zostały one spłaszczone i rozłożone na cienki, szeroki dysk w wyniku zderzeń między cząsteczkami.

Pierścienie Saturna są płaskie, szerokie i niewiarygodnie cienkie. Mierzone od krawędzi do krawędzi trzy główne pierścienie mają łączną szerokość 62,2 tys. km, są więc nieco szersze od promienia planety, wynoszącego 60,3 tys. km. Przy obserwacji od krawędzi do krawędzi, z Ziemi lub z jej pobliża, pierścienie praktycznie znikają z pola widzenia. Wyglądają na grube na około kilometr, ale jest to złudzenie spowodowane wypaczeniami, falowaniem, osadzonymi satelitami i cienkim, nachylonym pierścieniem zewnętrznym. Kiedy instrumenty na Voyagerze 2 monitorowały światło gwiazd przechodzące przez pierścienie, odkryły, że krawędzie pierścieni rozciągają się tylko na około 10 metrów od góry do dołu. Jeśli kartka papieru reprezentuje grubość pierścieni Saturna, to model w skali miałby dwa kilometry średnicy.

Z czego zbudowane są cząsteczki pierścieni? W zakresie fal widzialnych pierścienie są jasne i odblaskowe, ale w zakresie fal podczerwonych są ciemne i mniej odblaskowe. To sugeruje, że cząsteczki są zimne i wykonane z lodu. W rzeczywistości składają się one w dużej mierze, i to prawie wyłącznie, z lodu wodnego. Całkowita masa wyróżniających się pierścieni A, B i C jest mniej więcej równa masie satelity Saturna, Mimasa, który waży 4,5 x 1019 kilogramów, a taka masa jest zgodna z cząstkami składającymi się z lodu wodnego.

Cząstki pierścieni są zbyt małe, aby kamery statków kosmicznych mogły je zobaczyć pojedynczo, ale naukowcy mogą wnioskować o ich wielkości na podstawie pomiarów radiowych. Ponieważ pierścienie są bardzo odblaskowe dla naziemnych transmisji radarowych, wiemy, że ich cząstki są porównywalne lub większe niż długość fali radarowej wynosząca około 0,1 metra. Rozkład wielkości cząsteczek został określony na podstawie sposobu, w jaki pierścienie blokowały sygnały radiowe z Voyagera 1 i 2, gdy te statki kosmiczne przechodziły za pierścieniami. Metoda ta wykazała, że istnieje bardzo niewiele cząstek o rozmiarach większych niż 5 do 10 metrów lub mniejszych niż 0,01 metra. W tych granicach, liczba cząstek w głównych pierścieniach maleje wraz ze wzrostem rozmiaru, proporcjonalnie do odwrotności kwadratu ich promienia.

Jednakże cztery dodatkowe pierścienie, oznaczone jako pierścienie D, E, F i G, składają się z dużo mniejszych, mikroskopijnych kryształków lodu. Te pierścienie, odkryte przy użyciu naziemnych lub kosmicznych obserwacji, są wszystkie bardzo rozproszone, delikatne i prawie przezroczyste. Sposób, w jaki ich cząsteczki rozpraszają światło wskazuje, że są one najmniejsze ze wszystkich, mniej więcej mikronowej wielkości – mikron to milionowa część, czyli 10-6, metra.

Pioneer 11 odkrył niewiarygodnie wąski pierścień F, który leży tuż za pierścieniem A, dzięki jego absorpcji cząstek energetycznych; natomiast obrazy z sondy kosmicznej Voyager pokazały pierścień F bardzo szczegółowo, dowodząc, że jego szerokość waha się od kilku tysięcy do dziesiątków tysięcy metrów. Co więcej, nie jest to tylko pojedynczy pierścień, Voyager 1 zauważył poskręcaną plątaninę wąskich pasm, które wygładziły się do czasu przybycia Voyagera 2, około 9 miesięcy później. Ponieważ cząsteczki pierścienia F są jaśniejsze, gdy są podświetlone przez Słońce, a bledsze w odbitym świetle słonecznym, wiemy, że cząsteczki są również wielkości mikronów, znacznie mniejsze niż płatki śniegu i porównywalne w wielkości do kurzu w twoim pokoju.

Ale jak ten pierścień może zachować tak wąskie granice? Przy braku innych sił, kolizje pomiędzy cząsteczkami pierścienia powinny je rozprzestrzeniać, powodując, że cząsteczki spadają do środka w kierunku Saturna i rozszerzają się na zewnątrz od niego, tworząc w ten sposób szerszy i bardziej rozproszony pierścień. Dwa maleńkie księżyce, nazwane Pandora i Prometeusz, flankują pierścień F i ograniczają go między sobą, utrzymując w ten sposób cząsteczki pierścienia F przed błądzeniem poza wąskimi granicami pierścienia.

Pierścienie, fale, luki i szprychy

Z daleka główne pierścienie Saturna wyglądają jak gładkie, ciągłe struktury. Z bliska jednak, z widoków dostarczonych przez sondy kosmiczne Voyager 1 i 2, lodowy materiał jest zebrany w tysiące pojedynczych pierścieni. Niektóre z nich są idealnie okrągłe, inne mają kształt owalny, a kilka wydaje się spiralnie zbliżać do planety, jak rowki na staromodnej płycie. W niektórych miejscach, płaska płaszczyzna pierścieni jest lekko pofałdowana, a pierścienie są widoczne na szczytach i spadkach pofałdowań, jak fale biegnące po powierzchni stawu.

Zewnętrzna ręka jest w pracy rzeźbiąc przynajmniej niektóre z zawiłych struktur pierścieni poprzez siłę grawitacji. Połączone przyciąganie grawitacyjne Saturna i skumulowane przyciąganie pobliskich księżyców może redystrybuować cząsteczki pierścienia, skupiając je w wiele z obserwowanych kształtów. Chociaż małe pobliskie księżyce mają tylko słabe przyciąganie grawitacyjne na cząsteczki w pierścieniach, przyciąganie to jest powtarzane w kółko w pewnych rezonansowych miejscach. Tak jak możemy sprawić, że dziecko na huśtawce zatoczy łuk wysoko nad ziemią za pomocą delikatnego, powtarzającego się pchnięcia w tym samym miejscu huśtawki, tak powtarzające się przyciąganie grawitacyjne małego zewnętrznego księżyca podczas każdej orbity może dać niespodziewanie duże perturbacje. Wzajemne oddziaływanie tego efektu i przyciągania grawitacyjnego Saturna do wewnątrz może odpychać i przyciągać cząsteczki pierścienia, popychając i ciągnąc je w zlokalizowane skupiska, takie jak ringlets.

Ale proste oddziaływania ze znanymi księżycami nie były całkowicie udane w rozliczaniu wszystkich zawiłych szczegółów znalezionych w pierścieniach Saturna. Pozorne luki w systemie nie są całkowicie puste. Podział Cassiniego, na przykład, zawiera być może 100 pierścieni, z cząsteczkami tak samo dużymi jak te w sąsiednim pierścieniu. Niektóre luki nie występują nawet w znanych pozycjach rezonansowych lub zawierają osadzone w nich wykryte księżyce. Niewidoczne księżyce mogą wpływać na zlepianie się i usuwanie materiału w tych miejscach.

Prawdopodobnie najdziwniejszym odkryciem Voyagera były długie, ciemne smugi, nazwane szprychami, które rozciągają się promieniście w poprzek pierścieni, zachowując swój kształt jak szprychy koła. Te efemeryczne cechy są krótkotrwałe, ale często się regenerują. Znajdują się one w pobliżu najgęstszej części pierścienia B, który obraca się wraz z planetą z okresem 10,6562 godziny. Ale wewnętrzne i zewnętrzne części ciemnych szprych Saturna również wirują wokół planety z tym okresem, ze stałą prędkością, co jest oczywistym pogwałceniem trzeciego prawa Keplera i teorii grawitacji Newtona. Gdyby szprychy składały się z ciemnych cząstek osadzonych w pierścieniach, cząstki poruszałyby się z prędkościami, które maleją wraz ze wzrostem odległości od Saturna, a szprychy szybko rozciągnęłyby się i zniknęły.

Według jednej z hipotez małe cząstki pyłu mogą stać się naładowane, być może w wyniku zderzeń z energetycznymi elektronami. Siły elektromagnetyczne następnie podnoszą lub lewitują małe, naładowane cząsteczki poza większe ciała pierścieniowe, a szprychy są omiatane wokół Saturna przez jego wirujące pole magnetyczne. Brzmi to dziwacznie, ale subtelne siły są wymagane do pokonania grawitacji.

Dlaczego planety mają pierścienie?

Można by się spodziewać, że cząsteczki pierścienia zgromadziły się dawno temu w większe satelity. Ale interesującą cechą pierścieni – i wskazówką co do ich pochodzenia – jest to, że nie współistnieją one z dużymi księżycami. Pierścienie planetarne zawsze znajdują się bliżej planet niż ich duże satelity.

Pierścienie są ograniczone do wewnętrznej strefy, w której siły pływowe planety rozciągnęłyby dużego satelitę aż do pęknięcia i rozszczepienia, jednocześnie uniemożliwiając małym ciałom koalescencję w celu utworzenia większego księżyca. Zewnętrzny promień tej strefy, w której znajdują się pierścienie, nazywany jest granicą Roche’a od nazwiska francuskiego matematyka Eduoarda A. Roche’a (1820-1883), który opisał ją w 1848 roku. Dla satelity bez wewnętrznej siły, którego gęstość jest taka sama jak planety, granica Roche’a jest 2,456 razy większa od promienia planety, czyli około 147 tysięcy kilometrów w przypadku Saturna.

A skąd się wzięły pierścienie Saturna? Istnieją dwa możliwe wytłumaczenia ich pochodzenia. W pierwszym wyjaśnieniu, pierścienie składają się z materiału pozostałego po narodzinach Saturna około 4,6 miliarda lat temu. Hipoteza ta zakłada, że pierścienie i księżyce powstały w tym samym czasie w spłaszczonym dysku gazu i pyłu, w którego centrum znajdował się duży, nowo narodzony Saturn. Zgodnie z drugim wyjaśnieniem, dawny księżyc lub inne ciało zbliżyło się zbytnio do Saturna i zostało rozerwane na strzępy przez siły pływowe planety olbrzyma, tworząc pierścienie. W tym przypadku pierścienie mogły powstać po Saturnie, jego satelitach i dużej części reszty Układu Słonecznego.

Astronomowie szacują obecnie, że pierścienie Saturna mają mniej niż 100 milionów lat, czyli mniej niż dwa procent czasu życia Saturna. Olśniewająca, skrząca się jasność pierścieni Saturna dostarcza dowodów na tę młodość. Lśnią one czystymi cząsteczkami czystego lodu wodnego, nieskażonego ciągłym obrzucaniem przez kosmiczny pył. Pierścienie wyglądałyby znacznie ciemniej, gdyby były bardzo stare, tak jak nowo spadły śnieg brudzi się z czasem. Obliczenia wskazują, że za 100 milionów lat jasne pierścienie Saturna zostaną przyciemnione przez wszechobecny kosmiczny pył w takim samym stopniu, jak starsze, czarne jak węgiel pierścienie Urana i Neptuna.

Grawitacyjne przyciąganie księżyców Saturna do pierścieni skróci życie pierścieni, dostarczając kolejnej wskazówki o ich młodości. Podczas tworzenia fal gęstości w pierścieniach, pobliskie księżyce odbierają pęd cząstkom pierścienia, powodując ich powolną spiralę w kierunku Saturna; aby zachować pęd w całym układzie, księżyce stopniowo oddalają się od planety. Pierścień A zostanie ostatecznie wciągnięty do pierścienia B, a wszystkie pierścienie powinny zapaść się w wyniku tej interakcji księżyc-pierścień za około 100 milionów lat.

To prowadzi nas z powrotem do drugiego wyjaśnienia pierścieni Saturna, w którym istniejące wcześniej ciało zbłądziło zbyt blisko Saturna i zostało rozerwane przez siły pływowe. Mógł to być jeden z księżyców Saturna, lub przybysz z innego regionu Układu Słonecznego. Satelita mógł uformować się poza granicą Roche’a i poruszać się do wewnątrz pod wpływem sił pływowych, które w końcu rozerwałyby go na kawałki. Jak wcześniej wspomniano, całkowita masa wszystkich cząstek pierścieni jest podobna do masy stosunkowo małego satelity Saturna, Mimasa, więc wydaje się rozsądne, że pierścienie mogły powstać z takiego księżyca, lub z kilku mniejszych. W końcu marsjański księżyc Phobos jest obecnie nieubłaganie przyciągany w kierunku czerwonej planety przez jej siły pływowe, a największy satelita Neptuna, Tryton, również zmierza na kurs kolizyjny w kierunku swojej planety.

.